[发明专利]海面运动舰船湍流尾迹的数值仿真方法

说明书

本发明属于海洋流体力学和海洋遥感监测技术领域，具体为一种海面运动舰船湍流尾迹的数值仿真方法。舰船湍流分为两类：船尾射流和船侧涡流对；舰船湍流数值模拟是基于湍流尾迹宽度和湍流能量衰减谱的半经验公式，采用双线性叠加法。具体模拟步骤是：一、舰船湍流宽度计算，由给定舰船参数（长度、宽度、航速等），根据湍流尾迹宽度半经验公式计算尾迹宽度；二、根据舰船长度、宽度、航速、船型系数、船体阻力系数等参数计算舰船两侧的涡流速度；三、将海面剖分成网格，用基于舰船尾迹湍流谱的双线性叠加法计算网格点处的湍流起伏高度。该方法原理简单、计算量小、容易实现，能够准确地模拟出舰船湍流尾迹的主要几何特征，尤其是湍流起伏高度，与实测结果吻合较好。

发明领域

本发明属于海洋遥感监测技术领域，具体涉及海面运动舰船湍流尾迹的数值仿真方法。

背景技术

湍流数值仿真目前是流体动力学领域的前沿问题，传统的湍流仿真方法有直接数值模拟方法、N-S方法和大涡模拟方法，这些方法都是基于繁琐的流体力学公式和复杂的差分算法，计算量巨大，而且计算精度也有待验证。

舰船尾迹的研究虽然可以追溯到十九世纪末期，舰船的水动力学研究走过了一条漫长的道路，理论研究比较困难，近些年来，随着合成孔径雷达(SAR)的兴起和发展，可以采用星载或机载 SAR图像技术识别、探测和跟踪海面运动目标，而舰船尾迹往往延伸数千米，因此研究舰船尾迹的兴趣越来越大。舰船湍流尾迹的数值仿真是遥感监测领域迫切需要解决的一个问题，而海浪的仿真已经有一套方法，传统的海浪起伏数值模拟是基于能量平衡方程，对海谱进行描述，有效地简化了海浪场的动力学，同时它对时间步长和空间步长没有苛刻的要求，可适用于较大的区域和长时间尺度的计算。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速、高效、通用的海面运动舰船湍流尾迹的数值仿真方法。

本发明提出的海面运动舰船湍流尾迹的数值仿真方法，基于舰船湍流尾迹宽度和湍流能量衰减谱的半经验公式，采用经典的双线性叠加方法。具体模拟步骤是：一、舰船湍流宽度计算，由给定舰船参数（长度、宽度、航速等），根据湍流尾迹宽度半经验公式计算尾迹宽度；二、根据舰船长度、宽度、航速、船型系数、船体阻力系数等参数计算舰船两侧的涡流速度；三、将海面剖分成网格，用基于舰船尾迹湍流谱的双线性叠加法计算网格点处的湍流起伏高度。

本发明提出的海面运动舰船湍流尾迹的数值仿真方法，具体步骤为：

（1）确定舰船的各项参数：舰船长度、横宽、航速、船型系数、船体阻力系数、涡核深度等，建立运动舰船的几何模型，并建立仿真计算的坐标系统，将海面离散化，剖分成网格单元；

（2）根据舰船参数和舰船湍流尾迹宽度半经验公式，计算出该舰船特定速度下的尾迹宽度公式；

（3）根据舰船尾迹湍流谱的半经验公式，分别计算船尾射流和船侧涡流对的能量衰减谱，采用双线性叠加方法模拟湍流尾迹。具体是将湍流尾迹看作无限多个振幅、频率、初相位以及传播方向均不相同的简单余弦波的叠加。

下面对各步骤的具体细节分别介绍如下：

（1）步骤（1）的具体过程：

设定舰船参数：长度，横宽，航速；

建立两个空间直角坐标系，其一是船头坐标系，坐标原点位于船头位置，轴由船头指向船尾，轴与静海面平行且垂直于船身，轴垂直于静海面；其二是船尾坐标系，坐标原点位于船尾，船尾坐标系是船头坐标系在轴方向水平平移一个船体长度后的新坐标系。船头坐标系用来计算船侧涡流对起伏高度，船尾坐标系用来计算船尾射流的起伏高度；

将海面离散化，剖分成网格单元，设海面模拟尺寸为，剖分节点数为，网格步长的选取要考虑计算量。

（2）舰船湍流尾迹宽度计算：

舰船湍流尾迹宽度的半经验公式^[1]：